KR100383307B1 - Arrays of impingement jets with inserted effusion holes - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배열충돌제트의 배출방식에 변화를 주어 냉각효율을 향상 시키는 삽입 유출홀 설치방식의 배열충돌제트 냉각기술에 관한 것이다.The present invention relates to an array collision jet cooling technology of the insertion outlet hole installation method to change the discharge method of the array collision jet to improve the cooling efficiency.

본 발명의 배열충돌제트는, 충돌면(3)을 냉각 시키고 난 후의 유체가 횡방향으로 빠져나가면서 다른 분사제트에 영향을 미치지 않고 수직방향으로 빠져 나가도록 제트분사판(1)에 배열된 각 분사 제트홀(2)들의 사이에 별도의 유출홀(5)을 설치하여 이루어지며, 유출홀의 입구측을 충돌면으로 가깝게 연장 시켜 삽입형 유출홀로 만드는 돌출부(7)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라 유출홀 부근에서 배출유동의 상승을 억제하며 경계층 두께를 얇게 하고 특히 재흡입 유동을 줄여서 전체 평균 열/물질전달계수의 상승 효과가 있다.The array colliding jet of the present invention is an angle arranged on the jet jet plate 1 so that the fluid after cooling the collision surface 3 escapes transversely and exits vertically without affecting other jetting jets. It is made by installing a separate outflow hole 5 between the injection jet holes (2), characterized in that it comprises a projection (7) to extend the inlet side of the outflow hole closer to the impact surface to make an insertion type outflow hole. As a result, an increase in the discharge flow in the vicinity of the outlet hole is suppressed, the thickness of the boundary layer is reduced, and in particular, the re-suction flow is reduced, thereby increasing the overall average heat / material transfer coefficient.

Description

삽입유출홀 설치방식의 배열충돌제트{Arrays of impingement jets with inserted effusion holes}Arrays of impingement jets with inserted effusion holes

본 발명은 배열충돌제트의 배출방식에 변화를 주어 냉각효율을 향상 시키는 삽입 유출홀 설치방식의 배열충돌제트 냉각기술에 관한 것이다.The present invention relates to an array collision jet cooling technology of the insertion outlet hole installation method to change the discharge method of the array collision jet to improve the cooling efficiency.

냉각기술의 실제 응용에 있어서는 넓은 면적에 여러 개의 충돌제트를 함께 사용하며, 이를 배열충돌제트(Arrays of impingement jets)라고 한다. 충돌제트는 국소적으로 높은 열전달 및 물질전달 효과를 가진다. 이러한 이점 때문에 여러 분야에서 많이 이용 되고 있다. 예를 들면, 가스터빈 기관의 효율을 높이기 위해서는 터빈 입구온도를 높이는 것이 필수적인데, 이는 재질에 의해 제한 받게 되고 이 때문에 효과적인 냉각방법의 필요성이 대두 되었다. 제철 산업의 경우에도 제선, 제강, 연속 주조, 압연 등의 공정에서 고온의 쇳물이나 강괴를 다루게 되므로 접촉 요소의 수명 연장 및 사용 냉각수의 저감을 위하여 효과적인 냉각이 필요하다.In practical applications of cooling technology, several collision jets are used together in a large area, which is called arrays of impingement jets. The collision jet has a high heat transfer and mass transfer effect locally. Because of these advantages, it is widely used in various fields. For example, in order to increase the efficiency of gas turbine engines, it is essential to increase the turbine inlet temperature, which is limited by the material, which leads to the need for an effective cooling method. In the steel industry, even in the processes of steel making, steelmaking, continuous casting, rolling, etc., high temperature waste or ingots are required, and thus effective cooling is required for extending the life of contact elements and reducing the use of cooling water.

그러나 부적절한 냉각은 압연철판에 잔류 열응력을 발생시켜 차후 변형을 일으킬 수 있으므로, 제품 품질의 향상을 위해 효과적인 충돌제트 냉각기술의 개발은 필수적이다. 이외에도 최근 들어 컴퓨터의 집적화와 소형화에 따라 단위부피당 발열량이 급격히 증가함에 따라 국소적인 냉각이 중요시되어 충돌제트가 컴퓨터칩의 냉각에도 응용되기에 이르렀으며, 배열 충돌제트의 설계에 있어서 형상 및 유동 변수는 높은 열/물질 전달 계수 및 표면 온도 분포의 균일성이라는 두 가지 조건을 잘 만족 시키도록 선택되어야 한다.However, improper cooling may cause residual heat stress in the rolled steel sheet, which may cause deformation later. Therefore, it is essential to develop an effective collision jet cooling technique to improve product quality. In addition, as the heat generation per unit volume rapidly increases with the integration and miniaturization of computers in recent years, local cooling has become important, leading to the application of impact jets to the cooling of computer chips. It should be chosen to satisfy two conditions well: high heat / mass transfer coefficient and uniformity of surface temperature distribution.

이러한 조건에 따라 지금까지 진행된 배열충돌제트에 대한 연구는 도 1과 같이 제트 분사판(1)에 형성되는 제트홀(2)과 인접한 다른 제트홀(2a) 사이의 간격(S), 제트홀 배열 방법 및 제트 노즐과 충돌면(3) 사이의 간격을 변화 시키면서 수행되어져 왔다. 그러나 도 1과 같이 충돌면(3)에 부딪힌 뒤에 외부로 배출되는 유체들이 인접한 다른 제트들에게 좋지 않은 영향을 미치게 된다. 전체적으로 불균일한 냉각 효과를 야기할 뿐 아니라 평균적으로 낮은 열전달 효과를 보이는데, 제트 분사판(1)과 충돌면(3)의 간격(H)이 작은 경우에 이 영향은 매우 크게 나타난다.According to these conditions, the study on the array collision jet has been conducted until now, as shown in FIG. 1, the spacing S between the jet hole 2 formed in the jet jet plate 1 and another jet hole 2a adjacent to each other. The method and the gap between the jet nozzle and the impact surface 3 have been carried out. However, as shown in FIG. 1, the fluids discharged to the outside after hitting the collision surface 3 adversely affect other adjacent jets. Not only does it cause an overall non-uniform cooling effect, but also shows a low heat transfer effect on average. This effect is very large when the spacing H between the jet jet plate 1 and the collision surface 3 is small.

기존의 배열충돌제트를 이용한 냉각기술은 단순히 여러개의 분사장치를 통해 유체를 분사하는 기본적인 응용만 이루어져 왔다. 따라서 상대적으로 낮은 냉각성능으로 냉각유체의 사용량이 많고, 냉각유체의 공급을 위한 동력이 많이 들어가므로 낮은 효율을 나타내게 된다. 특히 배출구는 대개 옆에 위치하게 되므로 황방향 유동의 발생은 불가피하다. 그리고 이런 횡방향 유동은 전체 열/물질 전달 효과의 감소 및 불균일성에 의한 열응력을 발생 시킨다.Existing cooling technology using array collision jet has only been applied to the basic application of simply injecting fluid through multiple injection devices. Therefore, the amount of cooling fluid used is relatively high and the power for supplying the cooling fluid is increased due to relatively low cooling performance. In particular, the outlet is usually located next to it, so the occurrence of yellow flow is inevitable. And this lateral flow generates thermal stress due to the reduction and nonuniformity of the overall heat / mass transfer effect.

이는 유동이나 열전달등에서 어떤 특성을 나타내는 무차원수(Non-dimensionalized number)나 레이놀즈수(Reynolds number), 프란틀수(Prandtl number), 누셀트수(Nusselt number)등 많은 무차원수를 통해 알 수 있다.This can be seen through many dimensionless numbers such as non-dimensionalized number, Reynolds number, Prandtl number, Nusselt number, etc., which exhibit certain characteristics in flow or heat transfer.

열전달계수(Heat transfer coefficient)는 열전달을 나타내는 무차원수인 누셀트수=Nu를 통해 구할 수 있는데, 누셀트수(값이 클수록 높은 냉각 효과)로 나타난다.Heat transfer coefficient can be obtained through Nusselt number = Nu, a dimensionless number representing heat transfer. (Larger value indicates higher cooling effect).

여기서 h : 대류열전달계수(Convective heat transfer coefficient)Where h is the convective heat transfer coefficient

d : 분사제트직경(jet diameter)d: jet diameter

k : 열전도율(thermal conductivity) 이며,k: thermal conductivity,

물질전달계수는 물질전달을 나타내는 무차원수인 셔우드수(sherwood number)=Sh를 통해 얻을 수 있으며, 셔우드수로 나타난다.The mass transfer coefficient can be obtained from the Sherwood number = Sh, a dimensionless number representing the mass transfer. Appears.

여기서 hm : 물질전달계수(convective-dimensionalized number)Where hm is the convective-dimensionalized number

d : 분사제트 직경d: jet jet diameter

Dnaph: 확산계수(naphthalene vapo diffusivity in air) 이다.Dnaph: Naphthalene vapo diffusivity in air.

이러한 열전달과 물질전달의 상사성 관계식은,The similarity relationship between heat transfer and mass transfer is

이며, Is,

여기서 Pr은, 프란트수이고,Where Pr is the number of plants,

Sc는, 슈미트수(schmidt number)이며,Sc is a schmidt number,

n은, 실험에 의해서 결정되는 지수이다.n is an index determined by experiment.

위의 관계식에 의하여 물질전달 실험 결과를 열전달로 변환하여 해석이 가능하다.Based on the above relations, the results of material transfer experiments can be converted to heat transfer and analyzed.

이러한 열/물질전달 효과 및 균일성에 관련되어 나타나는 종래의 배열충돌제트의 배출방식은 횡방향 유동 발생이 불가피했다.In the conventional method of discharging the colliding jet, which is related to the heat / mass transfer effect and uniformity, transverse flow is inevitable.

앞서 언급된 바와 같이 배열충돌제트에서 중요한 것은 얼마나 균일하게 높은 열전달 효과를 가질 수 있는가 이다. 현재 응용되고 있는 배열충돌제트 기술은 횡방향 유동에 의한 여러 가지 좋지 않은 결과를 나타내고 있다. 도 2는 횡방향 유동이 있는 일반적인 배열충돌제트의 열/물질 전달 특성을 나타내는데 배열충돌제트 형상이 좌우 대칭이므로 가운데 제트의 중심을 기준 x/d=0.0으로 하고 오른쪽 방향으로 작동유체가 배출될 때의 국소 열/물질 전달 특성을 보여준다. 도 2(a)처럼 분사제트 출구와 충돌면의 간격이 큰 경우(H/d=10)에는 횡방향 유동의 영향이 그렇게 크게 나타나지 않는다. 그러나 간격(H/d=4)인 도 2(b) 및 H/d=2인 도 2(c)의 경우 배열충돌제트에서 무차원 열/물질전달계수 분포가 점진적으로 크게 변화되고 있음을 알 수 있고, 도 2(d)와 같이 간격(H/d=0.5)이 아주 작아진 경우에는 하류쪽으로 매우 큰 변화가 생기고 있다.As mentioned above, what is important in the array collision jet is how uniformly it can have a high heat transfer effect. The array collision jet technology currently applied has various unfavorable results due to lateral flow. Figure 2 shows the heat / mass transfer characteristics of the general configuration colliding jet with a lateral flow, since the configuration of the colliding colliding jet symmetry, when the working fluid is discharged to the right with the center of the center jet x / d = 0.0 Shows local heat / mass transfer properties. As shown in FIG. 2A, when the jetting jet exit and the collision surface have a large distance (H / d = 10), the influence of the transverse flow does not appear so large. However, in the case of the interval (H / d = 4) of FIG. 2 (b) and H / d = 2 of FIG. 2 (c), it is found that the distribution of the dimensionless heat / mass transfer coefficient is gradually changed in the array collision jet. When the distance H / d = 0.5 becomes very small as shown in Fig. 2 (d), a very large change occurs downstream.

국소값이 제트의 중심을 지나는 y/d=0, x/d=0, 6, 12, 18, 24에서는 하류로 진행할수록 그 값이 점점 커진다. y/d=3의 값들은 하류로 갈수록 매우 작게 나타난다. 따라서 간격이 작은 경우 횡방향 유동의 영향으로 전체적인 열/물질 전달 효과는 더욱 불균일하게 된다.At y / d = 0, x / d = 0, 6, 12, 18, and 24 where the local value passes through the center of the jet, the value increases as it goes downstream. The values of y / d = 3 appear very small downstream. Therefore, when the gap is small, the overall heat / mass transfer effect becomes more uneven due to the effect of transverse flow.

도 3은 H/d에 따른 전체 평균 열/물질전달계수를 보여준다. H/d에서 최대 평균값을 갖는다. H/d가 커지면서 작아지는 이유는 충돌면에 부딪히는 제트의 운동량 감소가 주된 영향이다. 그러나 H/d가 2보다 작아지면 평균값이 작아지는 것은 배출 출구 형상에 의하여 불가피하게 나타나는 횡방향 유동에 의한 것이다. 요약하면 횡방향 유동으로 인하여 좁은 간격에서 낮은 열/물질 전달 효과 및 심각한 열/물질 전달 불균일성이 나타난다.Figure 3 shows the overall average heat / mass transfer coefficient according to H / d. It has the maximum mean value in H / d. The reason why H / d increases and decreases is mainly due to the reduction in the momentum of the jet hitting the collision surface. However, if H / d is less than 2, the average value is due to the transverse flow inevitably shown by the discharge outlet shape. In summary, the transverse flow results in low heat / mass transfer effects and severe heat / mass transfer nonuniformities at narrow intervals.

따라서 본 발명의 목적은 횡방향 유동의 영향을 최소화하기 위하여 삽입 유출홀을 이용한 사용유체 배출방식으로 이루어지는 간단한 배출방식의 변화를 통해 배열충돌제트의 냉각성능을 향상 시키는 것이다.Therefore, an object of the present invention is to improve the cooling performance of the array collision jet through the change of a simple discharge method consisting of the fluid discharge method using the insertion outlet hole in order to minimize the influence of the transverse flow.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 냉각대상 충돌면이 있으며, 이 충돌면에 대하여 임의의 간격으로 벌어져 냉각 유체를 충돌면에 부딪히게 하는 다수의 제트홀을 가지는 제트분사판으로 이루어지는 배열충돌제트에 있어서,상기 배열충돌제트는,충돌면을 냉각시키고 난 후의 유체가 횡방향으로 빠져나가면서 다른 분사제트에 영향을 미치지 않고 수직방향으로 빠져 나가도록 상기 제트분사판에 배열된 각 분사 제트홀들의 사이사이에 별도의 유출홀 파이프를 삽입형으로 설치하여 이루어지며,상기 유출홀 파이프는 충돌면으로부터 유출홀 파이프의 유출홀로 통하는 재흡입 유동을 줄이기 위해 유출홀 파이프의 입구측을 충돌면으로 가깝게 연장시킨 돌출부를 구비하는 것을 특징으로 한다.이렇게 유출홀파이프를 제트분사판에 삽입설치하고 그 입구를 충돌면에 가까이 위치 시키는 삽입형 유출홀로 만들면, 벽제트 영역에서의 경계층 두께의 감소 및 상승유동의 억제로 더 좋은 열/물질 전달 효과를 얻을 수 있게 된다.A feature of the present invention for achieving this object is an arrangement consisting of a jet injection plate having a collision surface to be cooled and having a plurality of jet holes which are spaced at arbitrary intervals with respect to the collision surface to cause the cooling fluid to strike the collision surface. In the impingement jet, the colliding jet of jets, each jet jet arranged in the jet jet plate so that the fluid after cooling the collision surface exits in the vertical direction without affecting the other jet jet while passing in the transverse direction It is made by inserting a separate outlet hole pipe between the holes, the outlet hole pipe is to close the inlet side of the outlet hole pipe to the collision surface to reduce the re-suction flow from the impact surface to the outlet hole of the outlet hole pipe. It is characterized in that it is provided with an extended protrusion. Thus the outflow hole pipe is inserted into the jet jet plate Create and insert-type outflow hole for positioning close to the inlet to the impact surface, it is possible to suppress the decrease and increase the flow of the boundary layer thickness in the wall jet region, the better heat / mass transfer effects.

도 1은 일반적인 배열충돌제트와 그의 유동흐름 개략도1 is a schematic view of a general arrangement collision jet and its flow flow

도 2의 (a)~(d)는 도 1의 배열충돌제트에서 무차원 열/물질전달계수 분포를 나타낸 챠트2A to 2D are charts showing the dimensionless heat / mass transfer coefficient distribution in the array collision jet of FIG.

도 3은 일반적인 배열충돌제트에서 충돌면과 분사제트판의 간격 변화에 따른 전체 평균 무차원 열/물질전달계수 분포에 의한 횡방향 유동 선도Figure 3 is a transverse flow diagram according to the overall average dimensionless heat / mass transfer coefficient distribution according to the change of the gap between the impact surface and the jet jet plate in a general arrangement collision jet

도 4는 본 발명에 따른 배열충돌제트를 보인 것으로 (a)는 평면도 (b)는 단면도Figure 4 shows an array collision jet according to the invention (a) is a plan view (b) is a cross-sectional view

도 5는 본 발명에 따른 제트홀 및 유출홀의 형상 변형의 예를 보인 것으로 (a)는 분사 제트홀의 출구측 형상 변화의 예이며, (b)는 삽입유출홀 입구의 형상 조건 변화의 예를 나타낸 도면Figure 5 shows an example of the shape deformation of the jet hole and the outlet hole according to the present invention (a) is an example of the shape change of the outlet side of the injection jet hole, (b) shows an example of the shape condition change of the inlet hole exit drawing

도 6은 본 발명에 따른 유출홀 횡방향 유동의 전체 평균 열/물질전달계수 비교선도Figure 6 is a graph of the overall average heat / mass transfer coefficient of the outflow hole transverse flow in accordance with the present invention

도 7은 유출홀과 삽입 유출홀 설치 조건에 따른 배출방식의 속도 특징의 수치해석 비교 그림으로써 (a)는 유출홀 (b)는 삽입 유출홀Figure 7 is a numerical analysis of the speed characteristics of the discharge method according to the installation conditions of the outlet hole and the insertion outlet hole (a) the outlet hole (b) is the insertion outlet hole

도 8은 (a)유출홀 (b)삽입유출홀인 조건에서 각각 충돌면에서의 수치해석에 따른 속도비교표Figure 8 is a table of speed comparison according to the numerical analysis of the collision surface under the conditions (a) the outflow hole (b) the insertion outflow hole

도 9 및 도 10은 충돌면에서의 등 열/물질전달계수 비교 선도 로서, 각각 (a)는 일반적인 배열충돌제트 배출방식이고, (b)는 삽입 유출홀 설치 배출방식을 서로 비교한 비교선도9 and 10 are diagrams for comparing isothermal / mass transfer coefficients in the collision surface, respectively (a) is a general arrangement collision jet discharge method, (b) is a comparison diagram comparing the discharge method of the installation outlet hole insertion

도 11는 배열충돌제트의 무차원 열/물질전달계수를 나타낸 것으로, (a)는 충돌면에서 H/d =1.5에 대하여 제트홀의 중심을 지나는 일직선이고, (b)는 유출홀 중심을 지나는 일직선이다. 이는 삽입유출홀 적용방식(Hm/d의 변화)에 따른 차이를 나타낸 비교 챠트FIG. 11 shows the dimensionless heat / mass transfer coefficient of the colliding jet, (a) is a straight line passing through the center of the jet hole with respect to H / d = 1.5 in the collision plane, and (b) is a straight line passing through the center of the outlet hole to be. This is a comparison chart showing the difference according to the application method of insertion outlet hole (change of Hm / d).

도 12는 다양한 충돌면-유출홀 입구 높이에서 삽입유출홀 입구 높이변화에 따른 전체평균 열/물질전달계수를 나타낸 챠트12 is a chart showing the overall average heat / mass transfer coefficient according to the change of the insertion exit hole inlet height at various collision surface-outlet hole inlet heights.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

1:제트분사판 2:제트홀1: Jet injection plate 2: Jet hole

3:충돌면 4:제트분사출구3: Collision side 4: Jet jet exit

5:(삽입)유출홀 6:돌출부5: (insertion) outlet hole 6: protrusion

7:돌출부 8:구배면7: protrusion 8: gradient back

이하, 본 발명의 실시예를 도면 도 4 내지 도 12를 참고로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 12.

본 발명은 도 4와 같이 배열충돌제트의 배출방식을 바꿈으로서 충돌면(3)에서 좋은 열/물질 전달 효과 및 균일성을 얻는 것이다. 지금까지 배열충돌제트의 이용에서는 횡방향 유동의 발생이 불가피했으나 이런 횡방향 유동을 줄이기 위하여 본 발명은 제트분사판(1)의 제트 분사출구(4)와 같은 면에 삽입 유출홀파이프(5)를 설치하였다. 유출홀파이프(5)의 설치는 예를 들면, 먼저 분사제트판에 형성된 제트분사홀의 위치와 간격을 고려하여 그 사이사이에 구멍을 내고 여기에 유출홀파이프(5)를 삽입하여 고정하면 간단히 제트분사판에 유출홀을 형성할 수 있다. 여기서 분사 제트홀(2)의 개수는 냉각 충돌면(3)의 면적에 따라 바뀔 수 있다.The present invention is to obtain a good heat / mass transfer effect and uniformity in the collision surface (3) by changing the discharge method of the array collision jet as shown in FIG. Until now, the use of the colliding jet has inevitably caused the lateral flow. However, in order to reduce the lateral flow, the present invention inserts the outflow hole pipe 5 on the same surface as the jet ejection outlet 4 of the jet jet plate 1. Was installed. The installation of the outflow hole pipe 5 is, for example, by first making a hole therebetween in consideration of the position and spacing of the jet injection hole formed in the jetting plate and inserting and fixing the outflow hole pipe 5 therein, and simply Outlet holes may be formed in the jetting plate. The number of injection jet holes 2 may vary according to the area of the cooling collision surface 3.

삽입 유출홀파이프(5)의 설치에 따르는 배열충돌제트의 형상 조건은, 분사 제트홀(2)의 직경을 d로 할 때,The shape condition of the array collision jet according to the installation of the insertion outlet hole pipe 5 is that when the diameter of the injection jet hole 2 is d,

분사 제트홀(2)과 분사 제트홀(2) 사이의 간격 S/d는 3~10,The spacing S / d between the jet jet hole 2 and the jet jet hole 2 is 3 to 10,

제트 분사출구(4)와 충돌면(3)의 간격 H/d는 0.5~10,The distance H / d between the jet injection outlet 4 and the collision surface 3 is 0.5 to 10,

유출홀파이프(5)의 유출홀 직경크기(de/d)는 1~3(여기서 de는, 유출홀의 직경크기를 의미함),Outflow hole diameter size (de / d) of the outflow hole pipe 5 is 1 to 3 (where de means the diameter size of the outflow hole),

충돌면(3)에서 삽입 유출홀파이프(5) 사이의 간격(Hm/d)는 0.5~9로 하고,The distance (Hm / d) between the insertion outlet hole pipes 5 at the collision surface 3 is 0.5 to 9,

분사 제트홀(2) 배열 방식은 인-라인(in-line) 또는 파상배치(staggered) 방식을 선택적으로 적용한다.The injection jet hole 2 arrangement method selectively applies an in-line or staggered method.

또한 충돌면(3)에서 유동의 난류강도 및 운동량의 변화를 주기 위하여 도 5의 (a)와 같이 분사 제트홀(2)의 출구(4) 형상 및 길이는 돌출부(6)로 연장하는 형태로 변화 시킬 수 있다. 또한 사용 유체가 분사 제트홀(2)로 재 흡입되는 것을 줄이기 위하여 도 5의 (b)와 같이 유출홀파이프(5)의 입구측 형상을 연장된 돌출부(7)로 형성 하거나 이 돌출부(7)의 공간을 확장 시키는 구배면(8)으로 처리하여 변화 시킬 수 있다.In addition, in order to change the turbulence intensity and momentum of the flow in the collision surface (3), the shape and length of the outlet (4) of the injection jet hole (2) as shown in Fig. 5 (a) extends to the protrusion (6) You can change it. In addition, in order to reduce the re-intake of the working fluid into the injection jet hole (2), as shown in Fig. 5 (b) to form the inlet side of the outflow hole pipe 5 as an extended protrusion (7) or this protrusion (7) It can be changed by treating it with a gradient surface 8 which expands the space of.

삽입 유출홀파이프(5)가 있는 본 발명의 분사제트의 특성을 횡방향 유동이 기존의 배열충돌제트와 비교하여 그 차이점을 설명하고 이를 통해 효과적으로 배열충돌제트에 미치는 작용을 설명하면 다음과 같다.When explaining the characteristics of the jet jet of the present invention having the insertion outlet hole pipe 5 compared to the conventional colliding jet jet flow and the effect on the colliding jet jet through this as follows.

배열충돌제트에서 중요한 것은 얼마나 균일하게 높은 열전달 효과를 가질 수있는가 이다. 현재 응용되고 있는 배열충돌제트 기술은 횡방향 유동에 의한 여러 가지 좋지 않은 결과를 나타내고 있다. 이는 도 2 및 도 3을 통해 알 수 있으며, 간격이 작은 경우 횡방향 유동의 영향으로 전체적인 열/물질 전달 효과는 더욱 불균일 하게 된다. 요약하면 횡방향 유동으로 인하여 좁은 간격에서 낮은 열/물질 전달 효과 및 심각한 열/물질 전달 불균일성이 나타나는 것이다.What is important in an array collision jet is how uniformly it can have a high heat transfer effect. The array collision jet technology currently applied has various unfavorable results due to lateral flow. This can be seen through FIGS. 2 and 3, where the overall heat / mass transfer effect is more non-uniform due to the effect of transverse flow when the gap is small. In summary, lateral flow results in low heat / mass transfer effects and severe heat / mass transfer nonuniformities at narrow intervals.

이에 대하여 유출홀파이프(5)를 설치할 경우 도 6과 같이 특히 낮은 간격 (H/d=0.5~1.5)에서 횡방향 유동을 줄일 수 있으므로 좋은 열/물질 전달 효과를 얻을 수 있다. 도 6은 유출홀 설치와 횡방향 유동의 평균 열/물질 전달 계수를 비교한 그래프이다.On the other hand, when the outflow hole pipe 5 is installed, as shown in FIG. 6, since the transverse flow can be reduced at a particularly low interval (H / d = 0.5 to 1.5), a good heat / mass transfer effect can be obtained. 6 is a graph comparing the average heat / mass transfer coefficients of the outlet hole installation and the transverse flow.

본 발명에 의하면 충돌제트가 제트홀(2)을 통해 충돌면(3)에 분사된 후에 유동의 배출을 조절하는 유출 배열충돌제트로서, 횡방향 유동에 의하여 나타나는 낮은 평균 열/물질 전달 계수 및 불균형적 열/물질 전달 계수 분포등의 단점을 상당부분 극복할 수 있었으며, 이런 효과는 특히 제트 분사판(1)과 충돌면(3)의 간격이 좁은 경우 더욱 컸다. 그러나 형상적 요인으로 인하여 제트 분사판(1)과 같은면에 만들어진 유출홀(5)의 존재는 배출 유체의 분사 제트홀(2)로의 재흡입(re-entrainment) 현상을 가져온다. 또한, 유동 배출시 벽제트 영역에서 불가피하게 상승 유동을 만들며 경계층을 발달 시킨다. 이러한 요인들이 열/물질 전달의 감소 효과로 작용한다. 삽입 유출홀파이프(5)는 위와 같은 유출 배열충돌제트의 단점을 극복하고자 설계 되었다. 도 5의 (a)(b)와 같이 삽입 유출홀파이프(5)의 입구가 돌출부(7)로 인해 분사 제트홀(2) 보다 충돌면(3)에 가까이 존재함으로 인하여 재흡입 효과가 감소되며 상승유동을 줄일 수 있고 경계층 발달을 억제하여 좋은 열/물질 전달 효과를 기대할 수 있다. 마찬가지로 돌출부(7)는 구배면(8)으로 형성하여 유동의 흐름을 가속시켜 재흡입 현상을 더 줄여줄 수 있는 여지가 있으며,또한 제트홀(2)의 출구 형상 및 길이를 돌출부(6)를 통해 연장 시켜 충돌면(3)에서 일어나는 유동의 난류강도 및 운동량의 변화를 주는 것도 가능하다.According to the present invention, as an outgoing colliding jet which controls the discharge of flow after the collision jet is injected into the collision surface 3 through the jet hole 2, the low average heat / mass transfer coefficient and imbalance represented by the transverse flow Many of the shortcomings, such as the distribution of heat / mass transfer coefficients, could be overcome, and this effect was especially large when the spacing between the jet jet plate 1 and the impingement surface 3 was small. However, the presence of the outflow hole 5 formed on the same surface as the jet injector 1 due to the geometrical factors causes a re-entrainment phenomenon of the discharge fluid into the injection jet hole 2. In addition, when the flow is discharged, inevitably upstream flow in the wall jet region develops a boundary layer. These factors contribute to the reduction of heat / mass transfer. Inserted outlet hole pipe (5) is designed to overcome the disadvantages of the above-described outflow colliding jet. As shown in FIG. 5 (a) and (b), the inlet of the insertion outlet hole pipe 5 is closer to the collision surface 3 than the injection jet hole 2 due to the protrusion 7, thereby reducing the resorption effect. Good heat / mass transfer effects can be expected by reducing upflow and inhibiting boundary layer development. Similarly, the protrusion 7 may be formed as a gradient surface 8 to accelerate the flow of the flow to further reduce the resorption phenomenon, and also the exit shape and length of the jet hole 2 may be defined by the protrusion 6. It is also possible to extend through it to change the turbulence intensity and momentum of the flow occurring in the collision surface 3.

도 7은 y/d=3.0 부근에서의 속도분포를 수치계산한 결과로서, (a)는 유출홀 설치의 경우이고, (b)는 삽입형 유출홀(Hm/d=1.0)을 설치한 경우 이다(삽입형 유출홀은 돌출부(7)와 같은 연장부를 통해 충돌면(3)에 입구측을 더 가깝게 위치 시키는 형태에 한함). 삽입형 유출홀파이프(5)를 설치한 배열충돌제트는 기존의 유출 배열충돌제트 실험장치와 동일한 조건에서 유출홀의 끝단이 제트 분사판(1)의 높이와 일치하는 것이 아니라 충돌면(3)에 더 가까이 위치 시키는 것이다. 제트 충돌후 벽제트 영역에서 위쪽의 유출홀을 통하여 빠져 나가려면 배출유동의 윗방향 속도성분이 나타나야 한다. 삽입 유출홀파이프(5)의 경우 배출유동의 상승이 유출홀의 중심 가까이에서 생기며 경계층 두께가 더 얇게 나타났다.7 is a result of numerical calculation of the velocity distribution in the vicinity of y / d = 3.0, where (a) is for installing an outlet hole and (b) is for installing an insertion type outlet hole (Hm / d = 1.0). (Insert outflow hole is limited to the inlet side closer to the collision surface (3) through an extension, such as a projection (7)). In the case of the array colliding jet with the insertion type outlet hole pipe 5, the tip of the outlet hole does not coincide with the height of the jet jet plate 1 under the same conditions as the existing apparatus for colliding colliding colliding jet. To be close. After exiting the jet, the upward velocity component of the discharge flow must be present to exit the upper jet hole in the wall jet region. In the case of the inlet outlet pipe 5, the discharge flow is increased near the center of the outlet hole, and the boundary layer thickness is thinner.

도 8의 (a)(b)는 각각 유출홀과 삽입 유출홀(Hm/d=1.0)의 충돌면에서의 속도를 수치해석, z/d=0.1 조건에서 비교한 것으로서, z/d=0.1 즉 충돌면에서 1mm 만큼 떨어진 높이에서의 속도 분포를 보여 준다. 그림에서 밝은 부분은 속도가 높은 부분을 나타내며 어두운 부분은 상대적으로 속도가 낮은 부분을 의미한다. 삽입 유출홀(5)의 설치로 인해 도 8(a)의 유출홀의 경우보다 도 8(b)의 삽입 유출홀(5)의 경우가 밝은 영역이 확대된, 즉 충돌면(3) 부근에서의 속도가 높은 부분이 현저히 증가했다.(A) and (b) of FIG. 8 compare the speeds at the collision surface of the outflow hole and the insertion outflow hole (Hm / d = 1.0), respectively, under the numerical analysis and z / d = 0.1, where z / d = 0.1 In other words, it shows the velocity distribution at a height of 1 mm away from the collision surface. In the figure, the brighter part represents the higher speed part and the darker part represents the relatively lower part. Due to the installation of the insertion outflow hole 5, the area where the insertion outflow hole 5 in FIG. 8B is brighter than that in the outflow hole in FIG. 8A is enlarged, that is, in the vicinity of the collision surface 3. Higher speeds increased significantly.

도 7 및 도 8을 통해 나타난 바에 의하면, 삽입형 유출홀파이프(5)는 그렇지 않은 일반형 유출홀에 비해 윗방향 속도 성분이 더 크게 나타나 경우에 따라서는 불균형적 열/물질전달 분포 등을 해소 시키는데 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났다.7 and 8, the insertion type outlet hole pipe 5 has a larger upward velocity component than the general type outflow hole, and in some cases, it is possible to solve the unbalanced heat / mass transfer distribution. It has been shown to affect.

도 9(a)(b)와 도 10의(a)(b)는 각각 배열충돌제트 방식과 삽입 유출홀 설치 배출방식에 의한 충돌면에서 등 열/물질전달계수 선도 비교표 로서, 표에 나타나듯이 횡방향 유동의 하류 부분에서 나타나는 열/물질전달율이 매우 좋지않은 부분이 삽입 유출홀파이프(5) 설치로 인해서 고른 영역에서 균일한 열/물질전달 효과를 얻을 수 있었다.9 (a) (b) and FIG. 10 (a) (b) are comparative tables of heat and mass transfer coefficient diagrams in terms of collision due to the array collision jet method and the insertion outlet hole installation and discharge method, respectively, as shown in the table. The very poor heat / mass transfer rate that appears in the downstream part of the transverse flow was able to obtain a uniform heat / mass transfer effect in the even area due to the insertion outlet hole pipe 5 installation.

도 11은 Sh의 분포 변화를 좀더 자세히 볼 수 있도록 국소 Sh값을 그래프로 나타냈다. 여기서 Hm은 충돌면(3)에서 삽입 유출홀파이프(5) 입구까지 높이를 나타낸다. H/d=1.5에서 삽입 유출홀파이프(5)설치에 대한 결과이다. Hm/d=1.0에서 유출홀(Hm/d=1.5)방식보다 약간씩 커진 값을 보인다. 하지만 Hm/d=0.5, 즉 충돌면(3)과 유출홀 입구의 간격이 매우 좁은 경우는 삽입 유출홀파이프(5)의 중심 부근(도 12(b), x/d=±3.0)에서 매우 높은 값을 나타낼 뿐만 아니라 전 영역에서 상당히 높은 향상된 효과가 나타났다. 이는 삽입 유출홀파이프(5)에 의해 재 흡입 유동을 상당부분 줄여준 것으로 볼 수 있다.11 is a graph showing local Sh values so that the distribution of Sh can be viewed in more detail. Here, Hm represents the height from the collision surface 3 to the inlet of the insertion outlet hole pipe 5. This is the result of the installation of the insertion outlet hole pipe 5 at H / d = 1.5. At Hm / d = 1.0, it is slightly larger than the outlet hole (Hm / d = 1.5). However, when Hm / d = 0.5, that is, the gap between the collision surface 3 and the outlet hole entrance is very narrow, it is very near the center of the insertion outlet hole pipe 5 (Fig. 12 (b), x / d = ± 3.0). Not only did they show high values, they also showed a significantly higher improvement in all areas. This can be seen to significantly reduce the re-suction flow by the insertion outlet hole pipe (5).

도 12는 삽입 유출홀파이프(5)가 있는 경우에 대하여 전체 평균값을 구한 것으로 H/d=1.5, 2.0에서는 삽입 유출홀파이프(5)가 있는 경우(특히 Hm/d=0.5)에 열/물질전달의 증진효과를 얻을 수 있었다. 그러나 H/d=1.0에서와 같이 좁은 간격에서는 오히려 재 흡입 유동의 증가로 인하여 역효과가 발생함을 알 수 있다. H/d=1.5와 2.0에서 Hm/d=0.5인 삽입 유출홀파이프(5)를 설치함으로 인하여 일반 유출홀 방식 보다 각각 13.25%와 5.08%의 열/물질전달 증대 효과를 얻었다. 더불어 H/d=1.5에서 Hm/d=0.5인 경우의 평균값이 유출홀 설치 방식의 최대값이 H/d=1인 경우보다도 큰 값으로 나타났다. 따라서 삽입형 유출홀파이프를 갖는 배열충돌제트는 단순한 유출홀이 있는 배열충돌제트에 비해 재흡입 유동을 억제하는 새로운 배열충돌제트 기술로 평가할 수 있다.12 shows the overall average value for the case where the insertion outlet hole pipe 5 is present. In H / d = 1.5 and 2.0, the heat / substance is obtained when there is an insertion outlet hole pipe 5 (especially Hm / d = 0.5). Enhancement of delivery could be obtained. However, it can be seen that in narrow intervals such as H / d = 1.0, the adverse effect is caused by the increase of re-suction flow. By installing the insertion outlet hole pipe (5) with Hm / d = 0.5 at H / d = 1.5 and 2.0, the heat / mass transfer effect was increased by 13.25% and 5.08%, respectively. In addition, the average value of H / d = 1.5 to Hm / d = 0.5 was larger than that of the maximum value of the outflow hole installation method of H / d = 1. Therefore, an array collision jet with an insert outlet pipe can be evaluated as a new array collision jet technology that suppresses resorption flow compared to an array collision jet with a simple outlet hole.

이와 같은 본 발명에 의하면, 삽입유출홀 파이프 설치에 따른 배열충돌제트 배출방식은 유출홀 부근에서 배출유동의 상승을 억제하며 경계층 두께를 얇게 하고 특히 재흡입 유동을 줄여서 전체 평균 열/물질전달계수의 상승 효과가 있다.According to the present invention, the arrangement collision jet discharge method according to the installation of the insertion outlet hole pipe suppresses the rise of the discharge flow in the vicinity of the outlet hole, thins the boundary layer thickness, and in particular, reduces the re-suction flow to reduce the overall average heat / mass transfer coefficient. There is a synergistic effect.

Claims (3)

냉각 대상 충돌면이 있으며, 이 충돌면에 대하여 임의의 간격으로 벌어져 냉각 유체를 충돌면에 부딪히게 하는 다수의 제트홀을 가지는 제트분사판으로 이루어지는 배열충돌제트에 있어서,In a colliding jet jet comprising a jet ejection plate having a cooling target collision surface, and having a plurality of jet holes which are spaced at arbitrary intervals with respect to the collision surface to cause the cooling fluid to strike the collision surface, 상기 배열충돌제트는,The array collision jet, 충돌면을 냉각시키고 난 후의 유체가 횡방향으로 빠져나가면서 다른 분사제트에 영향을 미치지 않고 수직방향으로 빠져 나가도록 상기 제트분사판에 배열된 각 분사 제트홀들의 사이사이에 별도의 유출홀 파이프를 삽입형으로 설치하여 이루어지며,After the impact surface is cooled, a separate outlet hole pipe is inserted between the respective injection jet holes arranged in the jet jet plate so that the fluid exits in the horizontal direction and exits in the vertical direction without affecting other jets. It is installed by inserting type, 상기 유출홀 파이프는 충돌면으로부터 유출홀 파이프의 유출홀로 통하는 재흡입 유동을 줄이기 위해 유출홀 파이프의 입구측을 충돌면으로 가깝게 연장시킨 돌출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 삽입유출홀 설치방식의 배열충돌제트.The outflow hole pipe has an arrangement collision of the insertion outflow hole installation method, characterized in that it has a protrusion extending to the inlet side of the outlet hole pipe close to the impact surface in order to reduce the re-suction flow from the impact surface to the outlet hole of the outlet hole pipe. Z. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 분사 제트홀은 유동의 난류강도 및 운동량에 변화를 주기 위해 입구측 및 출구측을 연장시킨 돌출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 삽입유출홀 설치방식의 배열충돌제트.The injection jet hole array collision jet of the insertion outlet hole installation method characterized in that it has a protrusion extending the inlet and outlet side to change the turbulence intensity and momentum of the flow. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 삽입형 유출홀파이프의 입구측에 형성되는 돌출부가 입구 영역을 확장 시키는 구배각으로 처리된 것을 특징으로 하는 삽입유출홀 설치방식의 배열충돌제트.And a protrusion formed on the inlet side of the insertion type outlet hole pipe is treated with a gradient angle for extending the inlet area.
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